李绍芬版本 反应工程 课后习题全解 管式反应器.docVIP

4 管式反应器 4.1在常压及800℃等温下在活塞流反应器中进行下列气相均相反应： 在反应条件下该反应的速率方程为： 式中CT及CH分别为甲苯及氢的浓度，mol/l，原料处理量为2kmol/h，其中甲苯与氢的摩尔比等于1。若反应器的直径为50mm，试计算甲苯最终转化率为95%时的反应器长度。 解：根据题意可知甲苯加氢反应为恒容过程，原料甲苯与氢的摩尔比等于1，即： ，则有： 示中下标T和H分别代表甲苯与氢，其中： 所以，所需反应器体积为： 所以，反应器的长度为： ? 4.2根据习题3.2所规定的条件和给定数据，改用活塞流反应器生产乙二醇，试计算所需的反应体积，并与间歇釜式反应器进行比较。 解：题给条件说明该反应为液相反应，可视为恒容过程，在习题3.2中已算出： 所以，所需反应器体积： 由计算结果可知，活塞流反应器的反应体积小，间歇釜式反应器的反应体积大，这是由于间歇式反应器有辅助时间造成的。 ? 4.3 1.013×105Pa及20℃下在反应体积为0.5m3的活塞流反应器进行一氧化氮氧化反应： 式中的浓度单位为kmol/m3。进气组成为10%NO,1%NO2,9%O2,80%N2,若进气流量为0.6m3/h（标准状况下），试计算反应器出口的气体组成。 解：由NO氧化反应计量方程式可知此过程为变容过程，其设计方程为： （A） 示中A,B分别代表NO和O2。由题意可知，若能求得出口转化率，由（2.54）式得： 便可求出反应器出口气体组成。已知： 所以，反应速率为： 再将有关数据代入（A）式： （B） 用数值积分试差求得： 因此， 另：本题由于惰性气体N2占80%，故此反应过程可近似按恒容过程处理，也不会有太大的误差。 ? 4.4在内径为76.2mm的活塞流反应器中将乙烷热裂解以生产乙烯： 反应压力及温度分别为2.026×105Pa及815℃。进料含50%(mol)C2H6,其余为水蒸汽。进料量等于0.178kg/s。反应速率方程如下： 式中pA为乙烷分压。在815℃时，速率常数，平衡常数，假定其它副反应可忽略，试求： （1）?? 此条件下的平衡转化率； （2）?? 乙烷的转化率为平衡转化率的50%时，所需的反应管长。 解：（1）设下标A—乙烷，B—乙烯，H—氢。此条件下的平衡转化率可按平衡式求取： ? 若以1摩尔C2H6为基准，反应前后各组分的含量如下： 反应前 1 0 0 1 2 平衡时 1-Xe Xe Xe 1 2+ Xe 因此，平衡时各组分分压为： 将其代入平衡式有： 解此一元二次方程得： （2）?? 所需的反应管长：首先把反应速率方程变为 以保证速率方程的单位与物料衡算式相一致。已知： 代入物料衡算式有 其反应管长： ? 4.5于277℃，1.013×105Pa压力下在活塞流反应器进行气固相催化反应: 催化剂的堆密度为700kg/m3,在277℃时，B的转化速率为： 式中的分压以Pa表示，假定气固两相间的传质阻力可忽略不计。加料组成为23%B,46%A,31%Q（均为重量%），加料中不含酯，当XB=35%时，所需的催化剂量是多少？反应体积时多少？乙酸乙酯的产量为2083kg/h。 解：由反应计量方程式知反应过程为恒容过程，将速率方程变为B组分转化率的函数，其中： 为求各组分初始分压，须将加料组成的质量百分比化为摩尔百分比，即12.34%B,32.1%A,55.45%Q。于是有： 将上述有关数据代入设计方程： 采用数值积分便可得到所需的催化剂量： 其反应体积为： ? 4.6二氟一氯甲烷分解反应为一级反应: 流量为2kmol/h的纯CHClF2气体先在预热器预热至700℃，然后在一活塞流反应器中700℃等温下反应。在预热器中CHClF2已部分转化，转化率为20%。若反应器入口处反应气体的线速度为20m/s，当出口处CHClF2的转化率为40.8%时，出口的气体线速度时多少？反应器的长度是多少？整个系统的压力均为1.013×105Pa，700℃时的反应速率常数等于0.97s-1。若流量提高一倍，其余条件不变，则反应器长度是多少？ 解：反应历程如下图所示： 预热器 温度 T0 Tin Tf=TiN 线速度 u0 uin uf 转化率 XA0=0 XA,in XA,f 该反应为变容过程，其中， ? 由（2.50）式知： 由已知条